DSP和FPGA構成的感應發(fā)電機勵磁控制系統

1 系統簡(jiǎn)介

3/3相雙繞組感應發(fā)電機帶有兩個(gè)繞組:勵磁補償繞組和功率繞組,如圖1所示。勵磁補償繞組上接一個(gè)電力電子變換裝置,用來(lái)提供感應發(fā)電機需要的無(wú)功功率,使功率繞組上輸出一個(gè)穩定的直流電壓。

圖1中各參數的含義如下:

isa, isb, isc——補償繞組中的勵磁電流;

usa, usb, usc——補償繞組相電壓;

ipa, ipb, ipc——功率繞組電流;

upa, upb, upc——功率繞組相電壓;

udc——二極管整流橋直流側輸出電壓;

uc——變流器直流側電容電壓。

電力電子變換裝置由功率器件及其驅動(dòng)電路和控制電路兩部分組成。功率器件選用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PM75CSA120(75A/1200V),驅動(dòng)電路使用光耦HCPL4502?？刂齐娐酚?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP+FPGA構成。

2 EPM7128與TMS320C32同外設之間的接口電路

圖2所示為控制電路的接口電路?？刂齐娐肥褂玫?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP是TMS320C32,它是TI公司生產(chǎn)的第三代高性能的CMOS 32位數字信號處理器,其憑借強大的指令系統、高速數據處理能力及創(chuàng )新的結構,已經(jīng)成為理想的工業(yè)控制用DSP器件。其主要特點(diǎn)是:單周期指令執行時(shí)間為50ns,具有每秒可執行2200萬(wàn)條指令、進(jìn)行4000萬(wàn)次浮點(diǎn)運算的能力;提供了一個(gè)增強的外部存儲器配置接口,具備更加靈活的存儲器管理與數據處理方式?？刂齐娐肥褂玫?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA器件為ALTERA公司的EPM7128,它屬于高密度、高性能的CMOS EPLD器件,與ALTERA公司的MAXPLUS II開(kāi)發(fā)系統軟件配合,可以100%地模仿高密度的集成有各種邏輯函數和多種可編程邏輯的TTL器件。采用類(lèi)似器件作為DSP的專(zhuān)用外圍集成電路(ASIC)更為經(jīng)濟靈活,可以進(jìn)一步降低控制系統的成本。

電壓檢測使用三相變壓器,電流檢測使用HL電流傳感器。電平轉換電路用來(lái)將檢測到的信號轉換為0～5V的電平。A/D轉換器選用ADS7862。保護電路使用電壓比較器311得到過(guò)壓/過(guò)流故障信號。

DSP完成以下四項工作:數據的采集和處理、控制算法的完成、PWM脈沖值的計算和保護中斷的處理。

FPGA完成以下三項工作:管理DSP和各種外部設備的接口;脈沖的輸出和死區的產(chǎn)生;保護信號的處理。

3 使用FPGA實(shí)現DSP和ADS7862之間的高速接口

ADS7862是TI公司專(zhuān)為電機和電力系統控制而設計的A/D轉換器。它的主要特點(diǎn)是:4個(gè)全差分輸入接口,可分成兩組,兩個(gè)通道可同時(shí)轉換;12bits并行輸出;每通道的轉換速率為500kHz?？刂品椒?由A0線(xiàn)的值決定哪兩個(gè)通道轉換;由Convst線(xiàn)上的脈寬大于250ns的低電平脈沖啟動(dòng)轉換;由CS和RD線(xiàn)的低電平控制數據的讀出,連續兩次讀信號可以得到兩個(gè)通道的數據。

系統中使用了兩片ADS7862,它們的控制線(xiàn)使用同樣的接口,數據線(xiàn)則分別和DSP的高/低16位數據線(xiàn)中的低12位相連接。這樣DSP可以同時(shí)控制兩片A/D轉換器:4通道同時(shí)轉換;每次讀操作可以得到兩路數據。

如圖3所示,將A/D轉換器的控制信號映射為DSP的三個(gè)外部端口:A0、ADCS(和ADRD使用一個(gè)端口)和CONVST。在FPGA中使用邏輯譯碼器對端口譯碼。利用AHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的譯碼程序如下:

TABLE

A[23..12], IS, RW=>A0, ADCS, CONVST, PWM1, PWM2,

PWM3, PWM, PRO, CLEAR；

H″810″, 0, 0=> 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1；

H″811″, 0, 1=> 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1；

H″812″, 0, 0=> 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1；

H″813″, 0, 1=> 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1；

H″814″, 0, 0=> 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1；

H″815″, 0, 0=> 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1；

H″816″, 0, 0=> 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1；

H″817″, 0, 1=> 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1；

H″817″, 0, 0=> 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0；

END TABLE

其中,0表示低電平,1表示高電平。RW=1表示讀,RW=0表示寫(xiě)。

DSP對這三個(gè)端口進(jìn)行操作就可以控制A/D轉換器:寫(xiě)CONVST端口可以啟動(dòng)A/D轉換器;讀ADCS端口可以從A/D轉換器中讀到數據;寫(xiě)數據到A0端口可以設置不同的通道。

使用上述方法可以實(shí)現DSP和A/D轉換器之間的無(wú)縫快速連接。

4 使用FPGA實(shí)現PWM脈沖的產(chǎn)生和死區的注入

FPGA除了管理DSP和外設的接口外,還完成PWM脈沖的產(chǎn)生和死區的注入。使用參考文獻[1]介紹的方法,將PWM芯片和死區發(fā)生器集成在FPGA中,就可以使DSP專(zhuān)注于復雜算法的實(shí)現,而將PWM處理交給FPGA系統,使系統運行于準并行處理狀態(tài)。

5 使用FPGA實(shí)現系統保護

為了保護發(fā)電機和IGBT功率器件,勵磁控制系統提供了多種保護功能:變流器直流側過(guò)壓保護;變流器交流電流過(guò)流保護;變流器過(guò)溫保護;發(fā)電機輸出過(guò)壓保護;IPM錯誤保護。

使用如圖4所示的硬件邏輯來(lái)實(shí)現保護功能。當FPGA檢測到相應的故障信號時(shí),D觸發(fā)器輸出一個(gè)錯誤信號,使與門(mén)輸出一個(gè)低電平,此低電平封鎖住所有的PWM脈沖,并觸發(fā)一個(gè)DSP的外部中斷信號。當DSP響應外部中斷時(shí),可以使用PRO端口讀到錯誤的狀態(tài)位。CLEAR端口用來(lái)清除D觸發(fā)器,系統因此可以重復啟動(dòng)。

圖5給出了本控制系統的實(shí)驗波形圖:變流器的輸出電流基本為正弦;變流器側電容電壓穩定在365V;功率繞組側輸出電壓穩定在510V。

參考文獻

1 張波濤, 肖 飛. 利用現場(chǎng)復雜可編程門(mén)陣列產(chǎn)生PWM控制脈沖的方法. 電工技術(shù), 2002(1)：24～26